(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１の半導体クラッド層と、
第２導電型の第２の半導体クラッド層と、
前記第１および第２の半導体クラッド層の間に挟まれ、かつ交互に積層された複数のウェル層および複数のバリア層を有する多重量子井戸とを備え、
前記複数のバリア層は、前記第２のクラッド層に含まれる第２導電型のドーパントが導入された第２導電型バリア層を含み、
前記第２導電型バリア層は、前記多重量子井戸において前記第１の半導体クラッド層に含まれる第１導電型のドーパントが拡散した範囲に設けられており、
個々の量子井戸に印加される電界が均一化するように、前記第２導電型バリア層の位置およびドーパントの濃度が設定されており、
前記第２導電型バリア層よりも前記第１の半導体クラッド層側に前記第２導電型のドーパントが導入されていない前記バリア層が配置されている、光変調素子。
【請求項２】
前記第２導電型バリア層は、前記第１および第２の半導体クラッド層に挟まれる方向での前記多重量子井戸の中間地点より前記第１の半導体クラッド層側に位置し、かつ前記第２導電型バリア層よりも前記第２の半導体クラッド層側の前記多重量子井戸の少なくとも一部の部分の前記第２導電型のドーパントの濃度より高い濃度を有し、かつ前記第２導電型バリア層内の前記第１導電型のドーパントの濃度より高い濃度を有している、請求項１に記載の光変調素子。
【請求項３】
前記第２導電型バリア層は、前記ウェル層で互いに分離された複数の第２導電型バリア層部を有している、請求項１または２に記載の光変調素子。
【請求項４】
前記第２導電型バリア層の前記第２導電型のドーパントの濃度が１×１０17ｃｍ-3以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項５】
前記第１の半導体クラッド層と前記多重量子井戸との間に設けられた第１の分離閉じ込め層と、
前記第２の半導体クラッド層と前記多重量子井戸との間に設けられた第２の分離閉じ込め層とをさらに備え、
前記第１の分離閉じ込め層は、前記第１の半導体クラッド層のバンドギャップエネルギーより小さく、かつ前記多重量子井戸の前記ウェル層のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有し、
前記第２の分離閉じ込め層は、前記第２の半導体クラッド層のバンドギャップエネルギーより小さく、かつ前記多重量子井戸の前記ウェル層のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有している、請求項１〜４のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項６】
前記第１および第２の分離閉じ込め層の少なくともいずれかは、
前記第１および第２の半導体クラッド層側から前記多重量子井戸側へ段階的にバンドギャップエネルギーが小さくなるように構成されている、請求項５に記載の光変調素子。
【請求項７】
前記多重量子井戸は、電界吸収効果を利用する吸収層を構成している、請求項１〜６のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項８】
前記多重量子井戸は、電気光学効果を利用する屈折率変調層を構成している、請求項１〜６のいずれかに記載の光変調素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調素子に関し、特に多重量子井戸を備えた光変調素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速光ファイバ通信の分野では、半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）が多数用いられている。直接変調ＬＤの場合には伝送速度が毎秒１０ギガビット（１０Ｇｂｉｔ／ｓ）を越えると、チャープ特性の影響が顕著となるため伝送距離が光ファイバの分散で制限される。このため外部変調ＬＤであって、チャープ特性に優れた変調器集積ＬＤが実用に供されている。この変調器集積ＬＤでは、半導体変調器と分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ：Distributed Feedback Laser Diode）とが半導体基板上にモノリシック集積されている。
【０００３】
半導体変調器には、たとえば電界印加による吸収端波長シフトを用いた電界吸収型光変調器（Electro-Absorption Optical Modulator：ＥＡ変調器）と屈折率変化を用いたマッハツェンダー型光変調器（Mach-Zehnder Optical Modulator：ＭＺ変調器）とがある。
【０００４】
ＥＡ変調器は、ｐ型およびｎ型ＩｎＰ（リン化インジウム）クラッド層と、それらに挟まれたノンドープ多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）活性層から成るＰｉｎダイオード構造の素子である。ＥＡ変調器は、たとえば特開平９−２４３９７５号公報（特許文献１）に開示されている。ＥＡ変調器においては、ｎ型電極を正、ｐ型電極を負として逆バイアス電圧が印加されることによって、ＭＱＷ活性層に入射する光の吸収量が変化されることでＬＤ出力光が変調される。
【０００５】
さて長波光ファイバ通信向けＥＡ変調器を構成する半導体材料としては、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長させたＩｎＧａＡｓＰ（インジウムガリウムヒ素リン）などの混晶材料が用いられる。この材料系では、ヘテロ界面においてエネルギーギャップ差（ΔＥｇ）が伝導帯および価電子帯で４０：６０の比に分けられ、質量の重い正孔に対して大きなバリアが存在する。このためＭＱＷ内で強い光が吸収されて、キャリア（電子と正孔）が生成された場合、電子に比べ正孔はバリアを越えて電流として流れにくい。この現象は正孔のパイルアップ現象と呼ばれる。その結果、吸収飽和や、蓄積されたキャリアが外部電界を遮蔽（スクリーニング効果）することによる高速応答特性の劣化などが生じる問題点がある。
【０００６】
特に、ＭＱＷ層をバンドギャップの広いＩｎＰクラッド層で直接はさむ場合および単層のＩｎＧａＡｓＰの分離閉じ込め層（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）をＭＱＷ層とＩｎＰクラッド層との間に挿入する場合には、ヘテロ界面に価電子帯端の大きなバンド不連続がある。そのため、正孔が熱励起によって障壁を乗り越え、ＩｎＰクラッド層で吸収されるまでの滞留時間が長くなる。
【０００７】
そこで、連続的にバンドギャップが変化するＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造（Graded Index Separate Confinement Heterosutructure）をＭＱＷ層とクラッド層との間に挿入して、価電子帯バンド不連続の影響を解消することが提案されている。ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造は、たとえば特開平９−１７１１６２号公報（特許文献２）に開示されている。
【０００８】
また、多層ＳＣＨ構造を採用することによっても、価電子帯バンド不連続の影響を解消することが図られている。この多層ＳＣＨ構造では、ＳＣＨ層が多層膜で構成されており、ＩｎＰクラッド層からＭＱＷ層に向けて順にバンドギャップが小さくなるようにすることで、多層膜の各層間におけるバンド不連続量が小さくなるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−２４３９７５号公報
【特許文献２】特開平９−１７１１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
近年のＥＡ変調器では、上記のようにキャリア（特に正孔）のパイルアップ現象を抑制するため、ＭＱＷ層とＩｎＰクラッド層の間にＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造または多層ＳＣＨ構造を挿入した構造が採用されている。
【００１１】
一方、光半導体素子の結晶成長で多く用いられるＭＯＣＶＤ（Metal organic Chemical Vapor Deposition）法では、ｐ型ドーパントとしてＺｎ（亜鉛）が主に用いられる。Ｚｎは結晶成長中に拡散しやすい。特にｐクラッド層内の電圧降下や、キャリアのパイルアップ現象の低減を目的として、ｐ−ＩｎＰクラッド層のドーピング濃度を高くした場合、ＳＣＨ層やＭＱＷ層にまでｐ型不純物が拡散することがある。その結果、ＭＱＷ層中のｐ型不純物プロファイルは、不均一になり、量子井戸の位置による電界強度の違いが大きくなる。
【００１２】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、量子井戸の位置による電界強度差を小さくすることができる光変調素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の光変調素子は、第１導電型の第１の半導体クラッド層と、第２導電型の第２の半導体クラッド層と、第１および第２の半導体クラッド層の間に挟まれ、かつ交互に積層された複数のウェル層および複数のバリア層を有する多重量子井戸とを備えている。複数のバリア層は、第２のクラッド層に含まれる第２導電型のドーパントが導入された第２導電型バリア層を含んでいる。第２導電型バリア層は、多重量子井戸において第１の半導体クラッド層に含まれる第１導電型のドーパントが拡散した範囲に設けられている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光変調素子によれば、第２導電型バリア層は、多重量子井戸において第１導電型のドーパントが拡散した範囲に設けられているため、第２導電型バリア層の第１導電型のドーパントによって多重量子井戸の第１導電型のドーパントを相殺することで、絶縁性を上げることができる。このため、バンドの曲がりを抑制することができる。そして、多重量子井戸にかかる電界を均一化することができる。これにより、量子井戸の位置による電界強度差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における変調器集積ＤＦＢ−ＬＤの構成を模式的に示す概略斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略断面図である。
【図３】図１のＰ１部の構成および不純物プロファイルを示す図である。
【図４】量子閉じ込めシュタルク効果の原理を説明する図であって、電界ゼロの状態を示す図（ａ）と逆バイアス電圧が印加された状態を示す図（ｂ）である。
【図５】ＥＡ変調器吸収スペクトルの印加電圧依存性および動作条件を示す図である。
【図６】比較例におけるＥＡ変調器の逆バイアス印加時のポテンシャルを模式的に示す図である。
【図７】比較例における多重量子井戸層内部のポテンシャル分布のｐ側ノンドープＩｎＰ膜厚依存性を示す図である。
【図８】比較例における多重量子井戸層内部の電界分布のｐ側ノンドープＩｎＰ膜厚依存性を示す図である。
【図９】比較例における多重量子井戸層内部の電界分布の逆バイアス電圧依存性を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１における光変調素子の逆バイアス印加時のポテンシャルを模式的に示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態１における多重量子井戸層内部のポテンシャル分布のバリア層ｎ型ドープ位置依存性を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態１における多重量子井戸層内部のポテンシャル分布の第５バリア層ｎ型ドープ濃度依存性を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態１における多重量子井戸層内部の電界分布の逆バイアス電圧依存性を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態１における変形例の光変調素子の逆バイアス印加時のポテンシャルを示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態２における変調器集積ＤＦＢ−ＬＤの構造を模式的に示す概略上面図である。
【図１６】図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。なお、本実施の形態における光変調素子は、単体の光変調器だけでなく、変調器集積ＬＤを包含しているため、以下では、最良の実施形態である変調器集積ＬＤについて記述する。
【００１７】
（実施の形態１）
最初に本発明の実施の形態１における変調器集積ＬＤの構成について説明する。本実施の形態では変調器集積ＬＤの一例としてＥＡ変調器集積ＬＤについて説明する。
【００１８】
図１および図２を参照して、ＥＡ変調器集積ＬＤは、ＥＡ変調器部１４と、分離領域１５と、ＤＦＢ−ＬＤ部１６とを主に有している。分離領域１５は、ＥＡ変調器部１４とＤＦＢ−ＬＤ部１６とを電気的に分離するための領域である。ＥＡ変調器集積ＬＤは、ＤＦＢ−ＬＤ部１６からの発振光がＥＡ変調器部１４で変調されてＥＡ変調器部１４側から出射光２５が取り出されるように構成されている。
【００１９】
ＥＡ変調器集積ＬＤは、ＥＡ変調器吸収層１７と、ＬＤ活性層１８と、ｐ型ＳＣＨ層２０と、ｎ側ＳＣＨ層２１と、ｐ−ＩｎＰクラッド層２２と、ｎ−ＩｎＰクラッド層２３と、回折格子２４と、ノンドープＩｎＰ層２６と、ｐ型電極３１と、ｎ型電極３２とを主に有している。ｎ−ＩｎＰクラッド層２３はｎ−ＩｎＰ基板を兼ねている。
【００２０】
ＥＡ変調器部１４では、第１導電型の第１の半導体クラッド層であるｐ−ＩｎＰクラッド層２２と、第２導電型の第２の半導体クラッド層であるｎ−ＩｎＰクラッド層２３との間にＥＡ変調器吸収層１７が挟まれている。ｐ−ＩｎＰクラッド層２２とＥＡ変調器吸収層１７との間には、ＥＡ変調器吸収層１７側から順番に第１の分離閉じ込め層であるｐ側ＳＣＨ層２０と、ノンドープＩｎＰ層２６とが積層されている。
【００２１】
ｎ−ＩｎＰクラッド層２３とＥＡ変調器吸収層１７との間には、第２の分離閉じ込め層であるｎ側ＳＣＨ層２１が設けられている。ｐ側ＳＣＨ層２０は多層に形成されている。ｎ側ＳＣＨ層２１は単層に形成されている。なお、ｎ側ＳＣＨ層２１は多層に形成されていてもよい。ｐ−ＩｎＰクラッド層２２のノンドープＩｎＰ層２６側と反対側にはｐ型電極３１が設けられている。ｎ−ＩｎＰクラッド層２３のｎ側ＳＣＨ層２１と反対側にはｎ型電極３２が設けられている。
【００２２】
ＤＦＢ−ＬＤ部１６では、ｐ−ＩｎＰクラッド層２２とｎ−ＩｎＰクラッド層２３との間にＬＤ活性層１８が挟まれている。ｐ−ＩｎＰクラッド層２２とＬＤ活性層１８との間にはｐ側ＳＣＨ層２０が設けられている。ｐ側ＳＣＨ層２０の内部には回折格子２４が設けられている。ｎ−ＩｎＰクラッド層２３とＬＤ活性層１８との間にｎ側ＳＣＨ２１が設けられている。ＤＦＢ−ＬＤ部１６でもｐ−ＩｎＰクラッド層２２のｐ側ＳＣＨ２０と反対側にはｐ型電極３１が設けられている。ｎ−ＩｎＰクラッド層２３のｎ側ＳＣＨ２１と反対側にはｎ型電極３２が設けられている。
【００２３】
分離領域１５において、ＥＡ変調器吸収層１７とＬＤ活性層１８とがバットジョイント成長界面１９で接合されている。分離領域１５では、ｐ型電極３１は設けられていない。
【００２４】
ＥＡ変調器部１４およびＤＦＢ−ＬＤ部１６はリッジ構造２０となっている。なお、ＥＡ変調器部１４およびＤＦＢ−ＬＤ部１６はリッジ構造２０に限定されず、広く用いられる埋め込みへテロ構造であってもよい。このヘテロ構造であっても本実施の形態と同様の効果が得られる。
【００２５】
図３を参照して、ＥＡ変調器吸収層１７は、多重量子井戸４０で構成されている。つまり、多重量子井戸４０は、電界吸収効果を利用する吸収層を構成している。多重量子井戸４０は、交互に積層された複数のウェル層１および複数のバリア層２を有している。複数のバリア層２は、ｎ−ＩｎＰクラッド層２３に含まれる第２導電型のドーパント（ｎ型不純物）が導入された第２導電型バリア層２ａを有している。第２導電型バリア層２ａは、多重量子井戸４０においてｐ−ＩｎＰクラッド層２２に含まれる第１導電型のドーパント（ｐ型不純物）が拡散した範囲に設けられている。
【００２６】
第２導電型バリア層２ａは、ｐ−ＩｎＰクラッド層２２およびｎ−ＩｎＰクラッド層２３に挟まれる方向での多重量子井戸４０の中間地点よりｐ−ＩｎＰクラッド層２２側に位置している。第２導電型バリア層２ａは、第２導電型バリア層２ａよりもｎ−ＩｎＰクラッド層２３側の多重量子井戸４０の少なくとも一部の部分の第２導電型のドーパントの濃度（ｎ型不純物濃度）より高い濃度を有している。第２導電型バリア層２ａは、第２導電型バリア層２ａ内の第１導電型のドーパントの濃度（ｐ型不純物濃度）より高い濃度を有している。
【００２７】
続いて、各層の不純物プロファイルについて説明する。以下、不純物濃度の値はピーク濃度が示されている。
【００２８】
ｎ型不純物濃度について、ｎ−ＩｎＰクラッド層２３のｎ型不純物濃度は、たとえば１×１０18ｃｍ-3である。ｎ側ＳＣＨ層２１のｎ型不純物濃度は、ｎ側ＳＣＨ層２１とｎ−ＩｎＰクラッド層との境界からｎ側ＳＣＨ層２１と多重量子井戸４０との境界に向かって減少し、ｎ側ＳＣＨ層２１と多重量子井戸４０との境界では実質的にゼロとなる。また、第２導電型バリア層２ａのｎ型不純物濃度は、たとえば１×１０17ｃｍ-3である。第２導電型バリア層２ａのｎ型不純物濃度は、１×１０17ｃｍ-3以下が好ましい。
【００２９】
ｐ型不純物濃度について、ｐ−ＩｎＰクラッド層２２のｐ型不純物濃度は、たとえば１×１０18ｃｍ-3である。ノンドープＩｎＰ層２６のｐ型不純物濃度は、ノンドープＩｎＰ層２６とｐ−ＩｎＰクラッド層２２との境界からノンドープＩｎＰ層２６とｐ側ＳＣＨ層２０との境界に向かって減少し、ノンドープＩｎＰ層２６とｐ側ＳＣＨ層２０との境界でのｐ型不純物濃度は、たとえば４×１０17ｃｍ-3である。ｐ側ＳＣＨ層２０の不純物濃度は、ｐ側ＳＣＨ層２０とノンドープＩｎＰ層２６との境界からｐ側ＳＣＨ層２０と多重量子井戸４０との境界に向かって減少し、ｐ側ＳＣＨ層２６と多重量子井戸４０との境界でのｎ型不純物濃度は、たとえば１×１０17ｃｍ-3である。
【００３０】
なお、各層には残留不純物または隣接部からわずかに拡散した不純物が存在し得る。ここで正味の不純物濃度は、ある極性のドーピング濃度から、反対極性の残留不純物濃度をひいた値となる。たとえば、ｎ側ＳＣＨ層２１およびｎ−ＩｎＰクラッド層２３のｐ型不純物濃度は、ノンドープ層中のバックグラウンド不純物と同程度である。また、ｐ側ＳＣＨ層２０およびｐ−ＩｎＰクラッド層２２のｎ型不純物濃度は、ノンドープ層中のバックグラウンド不純物と同程度である。そのため、これらの残留不純物または隣接部からわずかに拡散した不純物の濃度は、たとえば１×１０16ｃｍ-3以下であり、理想的にはたとえばＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）測定限界の１×１０15ｃｍ-3以下であるので、ほとんど無視できる。
【００３１】
次に、ＥＡ変調器部の動作原理について説明する。
図４を参照して、一つの量子井戸における電界効果について説明する。図４（ａ）は電界が存在しない（電界ゼロ）時のエネルギーバンド図である。図４（ｂ）は逆バイアス電界が印加された時のエネルギーバンド図である。
【００３２】
図４（ａ）および（ｂ）を参照して、量子井戸はバンドギャップの小さいウェル（井戸）層１とバンドギャップの大きいバリア（障壁）層２から成り、電子と正孔（ホール）は各々量子準位を形成する。簡単のため、電子の第一量子準位（Ｅｅ１）３と正孔の第一量子準位（Ｅｈ１）４のみを考え、それらに対応する電子の波動関数５と正孔の波動関数６が図示されている。
【００３３】
電子と正孔はウェル内に閉じ込められ、クーロン引力でゆるやかに結合して励起子（エキシトン）を形成する。この時、光吸収に伴う遷移エネルギー７は、図示されるように電子と正孔の量子準位間のエネルギー差で決まる。逆バイアス電界の印加時、量子井戸のバンドギャップ８自体は変化しないが、電子と正孔の波動関数は逆方向に偏移するため、遷移エネルギーは低エネルギー側（長波長側）にシフトする。この現象は、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ：Quantum Confined Stark effect）と呼ばれる。
【００３４】
ＱＣＳＥによる励起子吸収ピーク波長のシフトは、量子井戸の厚さの４乗に近似的に比例するので、井戸厚が厚い方が大きな吸収係数変化が得られる。一方、振動子強度そのものは、井戸が厚くなると弱くなるため、最適の井戸厚が存在する。電界をかけると電子と正孔の波動関数の偏移により、振動子強度（吸収ピーク強度）も下がる。
【００３５】
図５を参照して、ＥＡ変調器の吸収スペクトルの印加電圧依存性を説明する。
ＥＡ吸収ピーク波長９、被変調光であるＬＤ波長１０、離調Δλ（ＥＡ吸収ピークとＬＤ波長の波長差）１１、電界による吸収ピークシフト１２、消光比１３が示されている。ゼロバイアス（０Ｖ）状態では、波長１．５２μｍおよび１．４５μｍ付近に励起子吸収のピークが観測される。それらが逆方向電圧印加（Ｖ印加）に伴い、長波長側にシフトする。したがって、たとえば波長１．５８５μｍの光が入射されると、印加電圧と共に吸収は増加する。この時、ゼロバイアスをＯＮ（オン）状態、Ｖ印加をＯＦＦ（オフ）状態に対応させることにより、光の変調が可能となる。そのＯＮ／ＯＦＦ比が消光比１３と呼ばれる特性パラメータである。
【００３６】
次に、本実施の形態の作用効果について比較例と比較して説明する。
図６を参照して、比較例のＥＡ変調器では、多重量子井戸４０を構成するウェル層１とバリア層２とはいずれもノンドープ層である。多重量子井戸４０とｐ−ＩｎＰクラッド層２２との間にはノンドープＩｎＰ層２６が挿入されているが、結晶成長および作製プロセスの間にｐ型ドーパントがｐ−ＩｎＰクラッド層２２からｐ側ＳＣＨ層２０および多重量子井戸４０にまで拡散してくる。具体的には、ｐ−ＩｎＰクラッド層２２の不純物濃度がたとえば１×１０18ｃｍ-3とすると、約１００ｎｍ拡散して１×１０17ｃｍ-3程度となる。  この影響を受けてｐ側ＳＣＨ層２０付近でバンド曲がりが生じる。つまり、不純物濃度が高いｐ側ＳＣＨ層２０付近では、不純物濃度が低い多重量子井戸４０に比べて電圧がかかりにくくなる。そのため、バンド図においてポテンシャルが下がりにくくなる。これにより、ｐ側ＳＣＨ層２０付近でバンド曲がりが生じる。
【００３７】
比較例のＥＡ変調器における電界分布の不均一性についてさらに詳しく説明する。
図７を参照して、比較例のＥＡ変調器について、ｐ型ドーパントの拡散を考慮し、ノンドープＩｎＰ層２６の膜厚をパラメータとして、ビルトイン状態（ゼロバイアス）でのポテンシャル分布を計算した例について説明する。
【００３８】
この比較例のＥＡ変調器はｐｉｎ構造を有している。ｐ−ＩｎＰクラッド層２２と多重量子井戸４０との間に、ノンドープＩｎＰ層２６およびｐ側ＳＣＨ層２０が配置されている。ｐ側ＳＣＨ層２０は、バンドギャップ波長が１１８０ｎｍから１０００ｎｍまでの６層の多層膜で構成されている。ｎ−ＩｎＰクラッド層２３と多重量子井戸４０との間にはバンドギャップ波長が１１８０ｎｍの単層のｎ側ＳＣＨ層２１が配置されている。
【００３９】
多重量子井戸４０では、バリア層２はバンドギャップ波長が１１８０ｎｍで、厚みが８ｎｍに構成されている。ウェル層１は厚みが１０ｎｍで、吸収端ピーク波長が１４７０ｎｍとなるように構成されている。ウェル層１の数は１０個である。
【００４０】
図７では、多重量子井戸４０のみが拡大して示されており、図７の右側がｐ側ＳＣＨ層２０に近い位置にあり、左側がｎ側ＳＣＨ層２１に近い位置にある。ノンドープＩｎＰ層２６の膜厚は１０ｎｍ〜１２５ｎｍに設定されている。図７に示すように、ノンドープＩｎＰ層２６の膜厚が３０ｎｍ以下では、ｐ側ＳＣＨ層２０に近い部分にポテンシャルの曲がりが見られ、ノンドープＩｎＰ層２６の膜厚が５０ｎｍ以上ではポテンシャルの曲がりが改善されていることがわかる。
【００４１】
続いて、図８を参照して、多重量子井戸４０の各ウェル層１での電界（図７のポテンシャルの傾きに対応）が拡大されて示されている。図８では、ｎ側ＳＣＨ層２１に近い左側から、ｐ側ＳＣＨ層２０に近い右側まで、配置されたウェル層１の順に採番されている。図８に示すように、ビルトイン状態での多重量子井戸４０内部の電界分布は不均一となっている。ノンドープＩｎＰ層２６の膜厚を１２５ｎｍまで増やすと均一性が若干改善されるものの不均一性は残り、改善効果も飽和していることがわかる。
【００４２】
続いて、図９を参照して、０Ｖ〜２．４Ｖの逆バイアスが印加された時の多重量子井戸４０内部の電界分布が示されている。図９では、ｐ側ＳＣＨ層２０に近い右側とｎ側ＳＣＨ層２１に近い左側とで、電界強度に大きな差があり、ＱＣＳＥによる吸収ピークシフトにもばらつきが出ることがわかる。
【００４３】
一方、図１０を参照して、本実施の形態の光変調素子では、第２導電型バリア層２ａが挿入されていることで、ｐ側ＳＣＨ層２０近傍のバンドの曲がりが抑制されている。
【００４４】
本実施の形態の光変調素子によれば、第２導電型バリア層２ａが多重量子井戸４０において第１導電型のドーパントであるｐ型不純物が拡散した範囲に設けられているため、第２導電型バリア層２ａのｎ型不純物によって多重量子井戸４０のｐ型不純物を相殺することで、絶縁性を上げることができる。このため、バンドの曲がりを抑制することができる。そして、多重量子井戸４０にかかる電界を均一化することができる。これにより、量子井戸の位置による電界強度差を小さくすることができる。
【００４５】
また、多重量子井戸４０にかかる電界が均一化された結果、吸収端シフト量がすべてのウェル層１で均一化されることで消光比が改善する。そのため、量子井戸数の低減が可能となり、低電圧駆動実現と共に、良好な消光特性とチャーピング特性を両立できる。さらにｐ型ドーパント拡散量の面内不均一性による特性のばらつきが改善されることで、作製歩留まりが向上する。
【００４６】
ウェル層１にドーピングを施すと、ウェル層１内のキャリア密度が高くなり、励起子吸収ピーク強度が低下して吸収変化が小さくなる。第２導電型バリア層２ａに第２導電型のドーパントが導入されていることで吸収変化が小さくなることを抑制できる。また、ドーピングにより結晶欠陥が導入される可能性もある。第２導電型バリア層２ａに第２導電型のドーパントが導入されていることで、必要最小限にドーピングすることで結晶欠陥が導入されることを抑制できる。
【００４７】
また、本実施の形態の光変調素子によれば、第２導電型バリア層２ａは、ｐ−ＩｎＰクラッド層２２とｎ−ＩｎＰクラッド層２３に挟まれる方向での多重量子井戸４０の中間地点よりｐ−ＩｎＰクラッド層２２側に位置している。第２導電型バリア層２ａは、第２導電型バリア層２ａよりもｎ−ＩｎＰクラッド層２３側の多重量子井戸４０の少なくとも一部の部分の第２導電型のドーパントの濃度より高い濃度を有し、かつ第２導電型バリア層２ａ内の第１導電型のドーパントの濃度より高い濃度を有している。このため、多重量子井戸４０にかかる電界を均一化することができる。これにより、量子井戸の位置による電界強度差を小さくすることができる。
【００４８】
また、本実施の形態の光変調素子によれば、第２導電型バリア層２ａの第２導電型のドーパントの濃度が１×１０17ｃｍ-3以下である。これにより、第２導電型バリア層２ａのｎ型不純物のドープ量を制御することによって、多重量子井戸４０のｐ型不純物をさらに適切に相殺することができる。このため、さらに適切に絶縁性を上げることができる。
【００４９】
また、図１０に示すように、本実施の形態の光変調素子では、ｐ側ＳＣＨ層２０はｐ−ＩｎＰクラッド層２２のバンドギャップエネルギーより小さく、かつ多重量子井戸４０のウェル層１のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有している。ｎ側ＳＣＨ層２１は、ｎ−ＩｎＰクラッド層２３のバンドギャップエネルギーより小さく、かつ多重量子井戸４０のウェル層１のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有している。
【００５０】
これにより、ｐ−ＩｎＰクラッド層２２と多重量子井戸４０とのバンド不連続量を小さくすることができる。また、ｎ−ＩｎＰクラッド層２３と多重量子井戸４０とのバンド不連続量を小さくすることができる。
【００５１】
また、本実施の形態の光変調素子によれば、多重量子井戸４０は、電界吸収効果を利用する吸収層を構成しているため、ＥＡ変調器部１４により電界吸収効果を利用して光を変調することができる。
【００５２】
また、図１０に示すように、本実施の形態の光変調素子では、ｐ側ＳＣＨ層２０はｐ−ＩｎＰクラッド層２２側から多重量子井戸４０側へ段階的にバンドギャップエネルギーが小さくなるように構成されている。ｐ側ＳＣＨ層２０は、第１の分離閉じ込め層部２０ａと、第２の分離閉じ込め層部２０ｂとを有している。第２の分離閉じ込め層部２０ｂは、第１の分離閉じ込め層部２０ａのバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有している。第１の分離閉じ込め層部２０ａより多重量子井戸４０側に第２の分離閉じ込め層部２０ｂが配置されている。なおｎ側ＳＣＨ層２１も同様に構成されていてもよい。
【００５３】
このため、ｐ側ＳＣＨ層２０において、ｐ−ＩｎＰクラッド層２２側から多重量子井戸４０側へ段階的にバンド不連続量を小さくすることができる。これにより、ｐ−ＩｎＰクラッド層２２と多重量子井戸４０とのバンド不連続量を順に小さくすることができる。
【００５４】
本実施の形態の光変調素子における電界分布の均一化についてさらに詳しく説明する。
図１１を参照して、第４バリア層から第７バリア層のいずれかに、不純物濃度１×１０17ｃｍ-3のｎ型ドーピングを施した時の、ビルトイン状態でのポテンシャル分布の計算結果の一例が示されている。第４バリア層から第７バリア層は、ｎ側ＳＣＨ層２０に近い側から順に１〜９まで採番された場合の４番目から７番目のバリア層である。
【００５５】
図１１に示すように、バリアドープなしの場合に比べ、バリアドープした部分のポテンシャルが下がって、全体のポテンシャル分布が変化していることがわかる。各バリアについて、図８に示す場合と同様に多重量子井戸４０内部の電界を計算した結果、第５バリア層にドーピングした場合の均一性が最良であることがわかった。
【００５６】
図１２を参照して、第５バリア層へのドーピング濃度を変えたときのポテンシャル分布が示されている。各ドーピング濃度について、図８に示す場合と同様に多重量子井戸４０内部の電界を計算した結果、不純物濃度として５×１０16ｃｍ-3が最良であることがわかった。
【００５７】
図１３を参照して、第５バリア層に不純物濃度として５×１０16ｃｍ-3でドーピングした最適条件において、０Ｖ〜２．４Ｖまで、逆バイアスが印加された時の多重量子井戸４０内部の電界分布が示されている。図１１に示す比較例と比べて、多重量子井戸４０内部の電界の均一性は大幅に改善されており、特に変調器への応用上重要な０Ｖ〜１．８Ｖまでの範囲で電界強度はほぼ均一であることがわかる。これにより、本実施の形態の構造は、バリア層２にドーピングを施さない比較例の構造に比べ、同じウェル層の数でＱＣＳＥの効果を最大限に発揮することができる。
【００５８】
なお、上記では、多重量子井戸４０の中央部よりもｐ−ＩｎＰクラッド層２２側に近い１つのバリア層２にのみ第２導電型のドーピングが行われている場合について説明したが、複数のバリア層にドーピングが行われていてもよい。
【００５９】
図１４を参照して、第２導電型バリア層２ａは、ウェル層１で互いに分離された複数の第２導電型バリア層部２ａ１を有している。このため、分離された位置にｎ型不純物を導入することができる。そのため、分離された位置で第２導電型バリア層２ａのｎ型不純物によって多重量子井戸４０のｐ型不純物を相殺することで、絶縁性を上げることができる。このため、ドープ位置をさらに細かく制御することができるので、さらに効果的にバンドの曲がりを抑制することができる。そして、さらに効果的に多重量子井戸４０にかかる電界を均一化することができる。また、複数のバリア層のドーピング濃度は、電界分布に応じて調整されていてもよい。
【００６０】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では変調器集積ＬＤの一例としてＭＺ変調器集積ＬＤについて説明する。
【００６１】
まず、ＭＺ変調器の基本原理を説明する。ＭＺ変調器は、導波路に結合した入力光がＹ分岐素子や多モード干渉型光結合器（ＭＭＩ：Multi-Mode Interference coupler）により、複数の導波路に分岐される。そして、それらの間に所定の位相差（対称分岐であれば０またはπ）が与えられた後にそれらを再度合波させて干渉させ、光変調が行われる。ＭＺ変調器はＥＡ変調器に比べさらにチャーピング特性を改善できることから、主に長距離幹線系光通信へ応用される。
【００６２】
実施の形態１のＥＡ変調器は、電界印加による吸収係数の変化を利用したが、これをクラマース・クローニッヒ変換して得られるのが屈折率変化である。本実施の形態のＭＺ変調器はこの屈折率変化を利用して分岐導波路間の位相差を与えることにより光を変調する。
【００６３】
次に本実施の形態におけるＭＺ変調器集積ＬＤの構成について説明する。
図１５および図１６を参照して、本実施の形態のＭＺ変調器集積ＬＤは、ＭＺ変調器部２７と、ＤＦＢ−ＬＤ部１６とを主に有している。ＭＺ変調器集積ＬＤは、ＭＺ変調器部２７の後方入力導波路に、ＤＦＢ−ＬＤ部１６がモノリシック集積された構造を有している。
【００６４】
本実施の形態のＭＺ変調器部２７は、ＭＭＩ２８と、第一位相変調器２９と、第二位相変調器３０とを主に有している。第一位相変調器２９と第二位相変調器３０とはＭＭＩ２８に挟まれるように設けられている。第一位相変調器２９と第二位相変調器３０とは分岐導波路の中に設けられている。
【００６５】
第一位相変調器２９と第二位相変調器３０とは、同様の構成を有している。第一位相変調器２９と第二位相変調器３０とは、実施の形態１と同様の多重量子井戸４０（図３参照）からなる屈折率変調層３３を有している。つまり、多重量子井戸４０は、電気光学効果を利用する屈折率変調層３３を構成している。屈折率変調層３３は、ｐ側ＳＣＨ層２０とｎ側ＳＣＨ層２１とによって挟まれている。ｐ側ＳＣＨ層２０上にはｐ−ＩｎＰクラッド層２２が設けられている。
【００６６】
ｐ−ＩｎＰクラッド層２２上にはｐ型電極３１が設けられている。ｎ側ＳＣＨ層２０の屈折率変調層３３と反対側にはｎ−ＩｎＰクラッド層２３が設けられている。ｎ−ＩｎＰクラッド層２３のｎ側ＳＣＨ層２１と反対側にはｎ型電極３２が設けられている。第一位相変調器２９と第二位相変調器３０とは、ｎ側ＳＣＨ層２１、ｎ−ＩｎＰクラッド層２３およびｎ型電極３２が共通して設けられている。
【００６７】
次に本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態の光変調素子では、ｐ型電極３１とｎ型電極３２との間に逆バイアス電圧が印加されることにより、多重量子井戸４０からなる屈折率変調層３３への印加電界が制御され、屈折率差が調整される。
【００６８】
本実施の形態の光変調素子によれば、第２導電型バリア層２ａが多重量子井戸４０において第１導電型のドーパントであるｐ型不純物が拡散した範囲に設けられているため、多重量子井戸４０にかかる電界を均一化することができる。このため、同じ駆動電圧における屈折率の変化が大きくなり、より低電圧で駆動できると共に、素子の小型化が可能となる。
【００６９】
また、本実施の形態の光変調素子によれば、多重量子井戸は、電気光学効果を利用する屈折率変調層３３を構成しているため、ＭＺ変調器部２７により電気光学効果を利用して光を変調することができる。
【００７０】
上記の実施の形態１および２では、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型である場合について説明したが、これに限定されず第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であってもよい。この場合、上記の光変調素子においてｐ型とｎ型の関係を入れ替えることで、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型とすることができる。
【００７１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７２】
１  ウェル層、２  バリア層、２ａ  第２導電型バリア層、３  電子の第一量子準位、４  正孔の第一量子準位、５  電子の波動関数、６  正孔の波動関数、７  遷移エネルギー、８  量子井戸のバンドギャップ、９  ＥＡ吸収ピーク波長、１０  ＬＤ波長、１１  離調（Δλ）、１２  吸収ピークシフト、１３  消光比、１４  ＥＡ変調器部、１５  ＤＦＢ−ＬＤ部、１６  分離領域、１７  ＥＡ変調器吸収層、１８  ＬＤ活性層、１９  バットジョイント成長界面、２０  ｐ側ＳＣＨ層、２０ａ  第１の分離閉じ込め層部、２０ｂ  第２の分離閉じ込め層部、２１  ｎ側ＳＣＨ層、２２  ｐ−ＩｎＰクラッド層、２３  ｎ−ＩｎＰクラッド層、２４  回折格子、２５  出射光、２６  ノンドープＩｎＰ層、２７  ＭＺ変調器部、２８  多モード干渉型光結合器、２９  第一位相変調器、３０  第二位相変調器、３１  ｐ型電極、３２  ｎ型電極、３３  屈折率変調層、４０  多重量子井戸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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